基于擴(kuò)頻通信技術(shù)的智能電表設(shè)計(jì)

0引言

智能電網(wǎng)，是指通過建立數(shù)字化的電網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)處(電表、變電站、發(fā)電廠等)獲得所需的智能化信息。它包括先進(jìn)計(jì)量體系(AMI)、高級(jí)配電運(yùn)行(ADO)、高級(jí)輸電運(yùn)行(ATO)和高級(jí)資產(chǎn)管理(AAM)四大模塊。其中，AMI是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵體系，而智能電表又是AMI的核心。智能計(jì)量是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)智能化和智能數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)和重要功能。因此，智能電表是智能電網(wǎng)的重要終端。

自動(dòng)抄表系統(tǒng)AMRS(Automatic Meter Reading System)，是對(duì)電能計(jì)量自動(dòng)抄收的自動(dòng)控制系統(tǒng)，能提高電力系統(tǒng)用電管理的現(xiàn)代化水平。當(dāng)電表計(jì)量系統(tǒng)具備電力線載波通信、無線電通信、RS-485等通信功能時(shí)，電能的自動(dòng)抄表系統(tǒng)的性能得到提升。

1電力線通信技術(shù)(PLC)

電力線通信PLC(Power Line Communication)技術(shù)，從廣義上講包含應(yīng)用于高壓輸電網(wǎng)和中低壓配電網(wǎng)的窄帶電力線載波通信，以及在中低壓配電線路上實(shí)現(xiàn)的寬帶數(shù)據(jù)通信。它是利用覆蓋廣泛的電力線信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的一種通信技術(shù)。

當(dāng)前電力線通信技術(shù)的發(fā)展相當(dāng)迅速,將擴(kuò)頻載波通信模塊加入到多功能電能表當(dāng)中,實(shí)現(xiàn)對(duì)電能數(shù)據(jù)的傳輸,在自動(dòng)抄表領(lǐng)域?qū)?huì)有很大的應(yīng)用前景。電力線載波通信技術(shù)是自動(dòng)抄表發(fā)展的重要方向，但電力線的傳輸環(huán)境具有不利于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶匦裕鹤儔浩骱陀脩粼O(shè)備如空調(diào)、冰箱等有著極低的阻抗，可以使傳輸信號(hào)嚴(yán)重衰減;在線負(fù)荷變化大，如家電設(shè)備的瞬間起動(dòng)可變的分布阻抗幾乎對(duì)所有頻率的信號(hào)都起著衰減或隔離的作用，并且這些變化沒有規(guī)律，呈隨機(jī)狀態(tài);噪聲模型無規(guī)律等問題。針對(duì)以上干擾問題，宜采用抗干擾能力強(qiáng)的通信技術(shù)，即電力線載波采用擴(kuò)頻通信技術(shù)。擴(kuò)頻通信技術(shù)是信號(hào)所占帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)送信息所必需的最小頻帶寬度的一種傳輸方式。頻帶的擴(kuò)展通過偽隨機(jī)碼序列來完成，在接收機(jī)中用同樣的碼進(jìn)行同步接收、解擴(kuò)和數(shù)據(jù)恢復(fù)。實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻的主要方法有:直接序列調(diào)制、頻率跳變、時(shí)間跳變和利用Chirps掃描頻率進(jìn)行線性脈沖調(diào)頻。目前，基于SSC技術(shù)的電力線通信芯片的數(shù)據(jù)傳輸速率在1～2 Mb/s。

2智能電表系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在遠(yuǎn)程電能抄表系統(tǒng)中，具有遠(yuǎn)程載波通信能力的智能電表系統(tǒng)是核心設(shè)備。智能電表系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包括擴(kuò)頻載波通信模塊、單片機(jī)控制模塊和電能量計(jì)量模塊。其主要功能為數(shù)據(jù)信息的遠(yuǎn)程擴(kuò)頻載波收發(fā)、電能計(jì)量和負(fù)荷監(jiān)控等。

它的總體工作原理框圖如圖1所示。擴(kuò)頻載波通信模塊采用電力擴(kuò)頻載波技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在電力線上的接收發(fā)送。電能量計(jì)量模塊是該系統(tǒng)的重要部分，它以電能專用計(jì)量芯片ADE7751為核心，將模擬的電流、電壓信號(hào)采樣后計(jì)算出瞬時(shí)功率，累加得到電能量值并將電能量數(shù)據(jù)存放在片內(nèi)寄存器中。智能電能表主要負(fù)責(zé)電能量數(shù)據(jù)的采集，因此要有較大容量的存儲(chǔ)模塊，用以存儲(chǔ)大量的電能量數(shù)據(jù)，以便數(shù)據(jù)上報(bào)和統(tǒng)計(jì)。

2.1 SSCP300芯片的主要功能特性

SSCP300芯片采用擴(kuò)頻載波通信技術(shù)，其傳輸信道為電力線，能通過SPI接口與單片機(jī)控制器進(jìn)行串行通信。它符合EIA600 CEBus標(biāo)準(zhǔn)，擴(kuò)頻信號(hào)工作頻率范圍為100～400kHz的帶寬，其數(shù)據(jù)包傳輸速率為10Kb/s.SSCP300芯片主要管腳功能如表1所示。

2.2低壓電力線擴(kuò)頻載波通信模塊

低壓擴(kuò)頻載波模塊主要由SSCP300低壓電力線擴(kuò)頻載波芯片、前置功放和電力線耦合電路構(gòu)成，其主要功能是對(duì)單片機(jī)控制單元發(fā)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性掃頻調(diào)制，放大后耦合到電力線信道上;反之，對(duì)通過電力線信道發(fā)送的載波信號(hào)進(jìn)行掃頻解調(diào)后被單片機(jī)控制單元接收。其數(shù)據(jù)通信采用了收發(fā)分時(shí)控制的半雙工通訊，與配電變壓器集中器的通信距離約為1000m。在信道特性最惡劣的情況下保證不小于600m。

擴(kuò)頻載波通信模塊通過串行外圍接口(Serial Peripheral Interface，SPI)與單片機(jī)控制單元相連，AT89C51單片機(jī)與SSCP300通過CEBuS通信協(xié)議通信來支持命令和數(shù)據(jù)的傳輸。這些命令和數(shù)據(jù)包括將要發(fā)送的分組、已接收到的分組和狀態(tài)及設(shè)置信息。

SSCP300則向單片機(jī)控制單元提供符合CEBus標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層和EIA-6規(guī)范的物理層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，最終實(shí)現(xiàn)了與單片機(jī)的通信。在發(fā)送數(shù)據(jù)模式下，電力線通信擴(kuò)頻載波Chirps從SO輸出到濾波器，然后輸出放大器由三態(tài)信號(hào)TS決定是否通過耦合電路傳輸?shù)诫娏€信道上;在接收數(shù)據(jù)模式下，通信信號(hào)通過電力線信道傳輸?shù)綆V波器，經(jīng)放大后傳輸?shù)絊I腳。因此，單片機(jī)控制單元AT89C51通過SPI接口總線對(duì)SSCP300內(nèi)部寄存器進(jìn)行讀寫;低壓電力線擴(kuò)頻載波模塊通過TS、SO、SI實(shí)現(xiàn)對(duì)功率放大電路單元的控制，使數(shù)據(jù)信號(hào)放大耦合在電力網(wǎng)中傳輸，完成基于電力線擴(kuò)頻載波技術(shù)的遠(yuǎn)程通信。采用SSCP300擴(kuò)頻載波智能電表的擴(kuò)頻載波模塊在輸入信號(hào)電平-30dB的微弱信號(hào)時(shí)仍然能夠可靠準(zhǔn)確地檢測(cè)、解調(diào)。

2.3電能量計(jì)量模塊

電能量計(jì)量模塊電路主要采用AD7751電度表芯片，可對(duì)50/60Hz單相交流電進(jìn)行電能計(jì)量。在500：1的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，測(cè)量誤差小于0.3%，符合IEC 1036國際標(biāo)準(zhǔn)。內(nèi)部具有上電、掉電自動(dòng)復(fù)位電路。它能實(shí)現(xiàn)有功功率測(cè)量、故障檢測(cè)、防竊電、負(fù)荷控制以及顯示等功能。AD7751芯片主要管腳功能如表2所示。

AD7751芯片引腳fc以高頻脈沖形式輸出有功功率瞬時(shí)值，可用于電表校驗(yàn)或與MCU接口。芯片的f1A、f1B引腳上以負(fù)脈沖的形式輸出有功功率平均值的信息，可直接驅(qū)動(dòng)機(jī)電式計(jì)數(shù)器。芯片內(nèi)部具有故障檢測(cè)電路，當(dāng)相線電流和中線電流相差12.5%時(shí)，即從FAULT腳輸出高電平，可驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管或蜂鳴器進(jìn)行光聲報(bào)警。當(dāng)智能電表檢測(cè)到負(fù)功率用電時(shí)，輸出REVP信號(hào)。電能量計(jì)量模塊的REVP和FAULT信號(hào)對(duì)于電度表現(xiàn)場(chǎng)錯(cuò)接線和防竊電具有實(shí)用意義。電量計(jì)量模塊的表征負(fù)荷的即時(shí)有功功率的脈沖信號(hào)(f)c，通過單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行累加計(jì)數(shù)運(yùn)算形成電能數(shù)據(jù);由AD7751輸出的fc信號(hào)連接到AT89C51的T0、T1接口，對(duì)fc脈沖進(jìn)行累加計(jì)數(shù)，最后計(jì)算出有功功率P和電能W。AT89C51單片機(jī)通過P1口和INT0引腳模擬了SPI的接口電路，關(guān)于有功功率P和電能W的串行數(shù)據(jù)通過此接口發(fā)送給SSCP300。表征負(fù)荷的平均有功功率的脈沖信號(hào)(f1)，能給用戶現(xiàn)場(chǎng)提供電度度表運(yùn)行的指示。此外，表征用戶電力線漏電的信號(hào)(CURP)和電壓異常信號(hào)(VOLP)，可以作為負(fù)荷控制的判據(jù)。單片機(jī)控制模塊向負(fù)荷控制模塊輸出負(fù)荷控制指令(Close)和(Trip)，推動(dòng)負(fù)荷控制模塊動(dòng)作，執(zhí)行停電或送電。為了保證自動(dòng)抄表的實(shí)時(shí)性和掉電后數(shù)據(jù)不丟失。存儲(chǔ)模塊采用了AT45DB321C，具有SPI接口，工作頻率為44MHz。其容量是32M字節(jié)。共8192頁，每頁528字節(jié)。并且具有2個(gè)528字節(jié)的讀寫緩存SRAM，能加快讀寫速度。此外，LED顯示模塊通過MAX7219來顯示輸出電量電能數(shù)據(jù)。

3智能電表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，其主要性能是滿足電網(wǎng)電能計(jì)量采集的可靠性和精度。智能電表系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理框圖如圖2所示。

其擴(kuò)頻載波通信子程序則按用電管理部門指令通信，包括接收程序和發(fā)送程序兩部分。故障保護(hù)子程序能自動(dòng)監(jiān)測(cè)過載和竊電等故障，具有自保護(hù)等功能，最終實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)控;當(dāng)?shù)綦姳Ｗo(hù)子程序檢測(cè)到電源掉電，則自動(dòng)將當(dāng)前電量和時(shí)間送串行非易失性存儲(chǔ)器保存，等恢復(fù)正常后自動(dòng)以此值累計(jì)。異常保護(hù)子程序如果監(jiān)測(cè)到用戶用電過載、線路漏電或電網(wǎng)供電電壓過高則通過負(fù)荷控制電路自動(dòng)斷電。存儲(chǔ)、顯示子程序則實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前電量和有功功率。智能電表系統(tǒng)軟件具體流程如圖3所示。

此外，智能電表系統(tǒng)需采用有效的抗干擾措施以保證實(shí)際運(yùn)行。當(dāng)干擾信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)性能的可靠性與運(yùn)行安全性都會(huì)降低。在具有衰減、失真的電力線信道上，由于隨機(jī)干擾，都會(huì)使得接收端解調(diào)后的數(shù)據(jù)出現(xiàn)差錯(cuò)。因此在考慮了通信調(diào)制技術(shù)、解調(diào)技術(shù)以及發(fā)射功率后，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)必須采用一定的差錯(cuò)控制來確保數(shù)據(jù)可靠的通信。電力線上的干擾脈沖持續(xù)雖然短，但能量集中，頻譜寬，能影響若干個(gè)位甚至十幾個(gè)位。為了糾錯(cuò)比較多的誤碼，就需附加多余碼元，這就使得傳輸效率低下。此外，由于電力線信道的時(shí)變性，難以測(cè)定數(shù)據(jù)通信信道的差錯(cuò)統(tǒng)計(jì)特性。當(dāng)系統(tǒng)的信道產(chǎn)生的差錯(cuò)超過其糾錯(cuò)能力，接收端將收到錯(cuò)誤信息。因此智能電表系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì)是在電力線數(shù)據(jù)傳輸中采用ARQ差錯(cuò)控制為差錯(cuò)控制協(xié)議，其優(yōu)點(diǎn)是能自動(dòng)調(diào)節(jié)通信信道性能，數(shù)據(jù)傳輸率也可通過接收端的信噪比電平來進(jìn)行改變。

4結(jié)論

智能電表系統(tǒng)采用了SSCP300和AD7751等芯片，主要實(shí)現(xiàn)了通信、電能計(jì)量、數(shù)據(jù)處理等功能。此系統(tǒng)的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是能利用電力載波擴(kuò)頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電能量參數(shù)測(cè)量、數(shù)據(jù)通信，提高抗干擾能力，突破傳統(tǒng)的電度表概念，把用戶電度表終端設(shè)計(jì)成一個(gè)智能化的綜合性通信終端。除了完成電量的計(jì)量和存儲(chǔ)外，它還具有用戶現(xiàn)場(chǎng)防竊電、故障保護(hù)、和負(fù)荷控制等功能。其數(shù)據(jù)傳輸速率為1～2 Mb/s，能滿足自動(dòng)抄表的數(shù)據(jù)量。通過對(duì)低壓配電網(wǎng)智能電表自動(dòng)抄收系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)、調(diào)試和試運(yùn)行，可以做到正確無誤的自動(dòng)抄收。由于該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量小，可以降低傳輸速率，從而可以降低誤碼率。